图片来源:Shutterstock
打开网易新闻 查看精彩图片
图片来源:Shutterstock

摘要:

固态电池领域的全球竞争正在展开,固态电池初创企业、传统动力电池企业和汽车厂商加速推进固态电池落地。半固态电池作为一种过渡方案,已经迎来量产装车的关键时点。配备全固态电池的纯电动汽车,能否如约而至?

撰文 | Penn

编辑 | 小棠

这是《环球零碳》的第859篇原创

固态电池是未来电池技术发展的重要趋势之一,被广泛认为是具有颠覆性的下一代动力电池。

“固态电池普及之日,就是燃油车退出历史舞台之时。”这句长期流传于市场的预言始终激励着动力电池企业不断在该领域取得突破。就在近半年,被誉为“锂电池圣杯”的固态电池,发展速度在骤然加快。

今年6月,在日本举行的技术发布会上,丰田表示计划将在2027年开始为电动汽车生产固态电池,并称已经取得了解决电池耐久性问题的 "技术突破 "和 "材料解决方案",这将使由固态电池驱动的电动汽车的续航能力达到1200公里,充电时间缩短至10分钟。

10月23日,英国《金融时报》报道称,在电池材料方面取得突破之后,丰田在制造技术方面也取得了进展,这将使其能够在 2027 年或 2028 年大规模生产固态电池。

10月25日,美国固态电池公司Quantum Scape更新了其全固态电池循环的数据,再次刷新了全固态电池循环性能测试结果。根据测试数据,按照C/3充电以及C/2放电的测试条件,进行100%SOC循环,电池循环1000周,能量保持率仍达到95%以上,就连Quantum Scape自己都喜出望外。

11月初,另一家美国固态电池巨头Solid Power在披露其三季报时表示,已向宝马公司交付了第一批A-1电动汽车电池,并透露宝马方面演示车项目的交付已步入正轨,这意味着公司的固态电池正式进入了装车验证阶段。宝马希望在2025年之前推出第一辆基于Solid Power电池技术的原型车。

最新的进展来自于正在如火如荼举办的广州国际车展。11月17日,广汽集团宣布固态电池已经取得突破性进展,在电芯能量密度达到400Wh/Kg时,能够满足电池在极端环境下的安全性与可靠性要求,计划在2026年实现装车搭载。

固态电池有什么特别之处?各大厂商为何纷纷押注固态电池?国内进展如何?

图说:冯兴亚发布广汽全固态电池计划 来源:广汽集团
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:冯兴亚发布广汽全固态电池计划 来源:广汽集团

01--固态电池独特在何处?

锂电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材组成,起到输送离子、传导电流的作用。但传统锂电池的液态电解质中,有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性,同时抗氧化性较差、无法解决锂枝晶问题,因此存在热失控风险,也限制了高电压正极、锂金属负极等高能量材料的使用。

图说:固态电池与目前主流液态锂离子电池结构对比
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:固态电池与目前主流液态锂离子电池结构对比

来源:旺财锂电,中国银河证券

固态电池则是指使用固态电解质代替传统电解液的锂电池,按照固态电解质用量可分为半固态电池和全固态电池。通常将电池内液体含量 10%作为区分半固态电池和液态电池的分界线,而全固态电池将完全使用固态电解质,液体含量将降为 0%。聚合物、氧化物、硫化物是目前固态电池三大类固体电解质。

图说:固态电解质的性能及结构要求
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:固态电解质的性能及结构要求

来源:姚忠冉等:锂离子电池氧化物固态电解质研究进展

与目前主流液态电解质锂电池相比,固态电池的优势主要体现为:

1) 固态电解质本身不可燃,抑制锂枝晶生长提高安全性。固态电池使用固态电解质,具备不可燃、无腐蚀、无挥发等特性,可在更高倍率和更高温度运行,同时,固态电解质具备高机械强度,锂枝晶生长缓慢且难刺透,进一步提升了电池安全性能。

2) 兼容高比容量正负极,极大提升能量密度。固态电池电化学稳定性窗口宽,可能搭配负载 5V 电压,适配硅基、金属锂等负极材料,进而大幅提升电芯能量密度。同时,固态电解质可将电解液的隔膜功能合二为一,从而降低电池厚度,提升电芯能量密度。

3) 重量减轻,易于回收。固态电池可以实现多层正极、固态电解质和负极材料堆积,有效简化封装,使得整体电池包的重量和体积得以缩减。固态电解质在回收处理也时更加方便。

图说:液态-固态电池材料体系及能量密度发展趋势
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:液态-固态电池材料体系及能量密度发展趋势

来源:东吴证券研究所

02--丰田:希望通过固态电池弯道超车

上世纪70年代,全球遭遇石油危机,丰田凭借“节能”而名声大噪,一举奠定了燃油车时代的霸主地位。

面对当下的新能源狂潮,电动化“落后生”丰田一直希望通过提早布局固态电池技术进行弯道超车。其布局固态电池最早可以追溯到2008年,当时该公司宣布和英国创业公司伊利卡 (Ilika) 合作共同研发固态电池材料。2017年时丰田便宣布在2020年生产固态电池,2025年实现量产。但2021年又改口称“全固态电池进展并不乐观。”

在经历了反复跳票之后,丰田的固态电池之梦终于在今年见到了曙光。

图说:丰田正在开发的全固态电池 来源:丰田
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:丰田正在开发的全固态电池 来源:丰田

今年6月,在日本举行的技术发布会上,丰田表示力争在2027-2028年实现固态电池商业化生产,并称已经取得了解决电池耐久性问题的 "技术突破 "和 "材料解决方案",这将使由固态电池驱动的电动汽车的续航能力达到1200公里,充电时间缩短至10分钟。

7月,在固态电池技术取得突破后,丰田表达了从电池尺寸到成本和重量均减半的决心。丰田碳中和研发中心总裁Keiji Kaita表示,简化电池材料的生产流程将降低下一代技术的成本,并彻底改变目前电池的现状:“对于丰田的液态和固态电池,我们的目标是彻底改变目前电池太大、太重、太贵的状况,我们的目标是将所有这些因素减半。”

图说:丰田电池技术路线图 来源:丰田
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:丰田电池技术路线图 来源:丰田

9月,丰田公布了先进电池技术路线图。丰田表示,最近的进步克服了固态电池耐用性方面的挑战,已将重点转向将固态电池投入大规模生产,目标是到 2027-2028 年电池可投入商业使用。与此同时,丰田已经在开发更高规格的锂离子固态电池,目标是与高性能电池相比,续航里程提高 50%。

图说:丰田与出光兴产将合作开发全固态电池 来源:丰田
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:丰田与出光兴产将合作开发全固态电池 来源:丰田

10月12日,丰田和出光兴产宣布,将合作量产纯电动汽车(EV)用的新一代“全固态电池”。丰田计划2027~2028年推出配备全固态电池的汽车,通过与拥有材料制造技术的出光合作,提高开发速度。此次,两家企业将开展合作的是硫化物类固态电解质,具有柔软、容易与其他材料紧密接合和容易量产的特点。

10月底,英国《金融时报》报道,在电池材料方面取得“突破”之后,丰田在制造技术方面也取得了进展,这将使其能够以与现有电动汽车电池相同的速度制造下一代固态电池,这标志着全球这项技术商业化竞赛的一个里程碑。

不过,要实现全面量产,还需要克服其他技术障碍,丰田的工程师表示:“我们仍然需要在确保电池材料的数量和质量方面取得突破。”

03--宝马、大众:投资创业公司,合作开发固态电池

与丰田完全自研固态电池不同,宝马、大众、奔驰、通用等其他欧美汽车巨头选择了通过投资初创企业进行固态电池布局。

2021年5月,福特、宝马在固态电池初创公司 Solid Power 的 B 轮融资中,领投 1.3 亿美元。提前下注未来固态电池市场。福特更是参与了 Solid Power 的 A 轮融资。这笔融资,将被用于扩大 Solid Power 的汽车电池生产规模,以实现未来与客户车辆的整合。

2023年1月,宝马集团公布,将与 Solid Power 启动下一阶段全固态电池的联合研发。SolidPower 将向宝马授权电池设计和制造工艺,帮助宝马在慕尼黑附近的工厂建设中试线。宝马计划,第一辆采用全固态电池的原型车在 2025 年之前推出,2030 年实现全固态电池的量产。

图说:Solid Power固体电池实验室 来源:Solid Power
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:Solid Power固体电池实验室 来源:Solid Power

11月初,Solid Power在披露其三季报时表示,已向宝马公司交付了第一批A-1电动汽车电池,并透露宝马方面演示车项目的交付已步入正轨,这意味着公司的固态电池正式进入了装车验证阶段。此前,Solid Power 于 2022 年夏季建立了第一条硫化物电解质材料的全固态电池试点生产线,每年生产约 15,000 块电池,其中大部分用于汽车资格测试。

稍早前的10月底,另一家美国固态电池公司Quantum Scape更新了其全固态电池循环的数据,再次刷新了全固态电池循环性能测试结果。

图说:Quantum Scape A0原型电池最新测试结果
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:Quantum Scape A0原型电池最新测试结果

来源:Quantum Scape

此次测试的为24层A0原型电池,根据某知名整车厂提供的测试数据,按照C/3充电以及C/2放电的测试条件,进行100%SOC循环,电池循环1000周,能量保持率仍达到95%以上,就连Quantum Scape自己都喜出望外。

Quantum Scape的背后则是大众,大众已向 Quantum Scape 累计投资3亿美元,并成为其最大的股东。Quantum Scape 于2022年向大众交付了第一批A样原型氧化物电解质固态电池供测试,在公司的演示材料中,其产品能量密度可达350Wh/kg、1000Wh/L,并已能实现1000次循环下80%+的容量保持率,远超商业化标准。此外,QS还宣布已与大众合作启动生产线的建设,预计在2025年可投产。

图说:相关车企布局推动固态电池产业化进程
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:相关车企布局推动固态电池产业化进程

来源:高工锂电,中国银河证券

04--国内欣欣向荣,飞速发展

当前半固态电池处于产业前夕,我国主流厂商也已提前积极布局固态电池相关研发生产线。国内布局固态电池的企业众多,既有传统老牌电池企业,也有上游原材料企业,还有背靠顶级科研院所的专业化固态电池公司。各企业路线选择也非常丰富:硫化物路线代表企业有宁德时代、蜂巢能源等;氧化物路线代表企业有赣锋锂业、辉能科技等;聚合物路线代表企业有卫蓝新能源等。

图说:固态(半固态)电池企业研发进程规划
打开网易新闻 查看精彩图片
图说:固态(半固态)电池企业研发进程规划

来源:鑫椤锂电,中银证券

位列其中的卫蓝新能源和清陶能源分别绑定了蔚来和上汽集团等车企,二者都带有国家科研院所的背景,卫蓝新能源是中国科学院物理研究所固态电池技术唯一的产业化平台,清陶能源则脱胎于清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室。

值得注意的是,由于目前全固态电池技术和工艺难题仍未完全解决,且成本较高,因此,我国电池企业普遍选择“从液态到半固态再到固态”的渐进式发展路线。

“相比于半固态,全固态电池肯定更具优势。但现在全固态在技术上还没有完全被攻克。”伊维经济研究院研究部总经理吴辉此前接受《中国能源报》记者采访时提到,“所以,目前业内普遍将目光聚焦于一种折中产品,也就是还含有一部分电解液的半固态电池。”

与此同时,国内车企也积极推进半固态电池装车试验,希望凭借性能优势打出差异供给以提升竞争力,券商普遍认为2023年有望成为半固态电池装车元年。东风、蔚来、赛力斯已宣布将于今年实现半固态电池装车,长安深蓝、广汽埃安、高合等汽车品牌普遍规划2025年前装车半固态电池。

05--写在最后

虽然固态电池具有高能量密度、高安全性等特点,但在商业化进程中也面临着制造工艺复杂、成本高企等挑战。韩国新能源研究机构 SNE报告曾指出,即便到了量产阶段,全固态电池的成本至少也是锂离子电池的两倍,跟新能源汽车行业追求的降本背道而驰。高盛也曾在此前的报告中指出,固态电池“未来十年扩大规模的道路相对艰难”。

已有固态电池技术储备的“带头大哥”宁德时代对固态电池的看法,也不那么乐观。7月6日举行的2023年中国汽车论坛上,宁德时代新能源科技股份有限公司首席科学家吴凯对丰田的固态电池规划评价道:“全固态电池,目前还有些核心问题亟待解决。如果丰田说现在能量产全固态电池,我表示怀疑。但是到2027年,我也没法预测。以宁德时代的技术水平而言,也很有难度。”

固态电池能否如约而至,撑起燃油车“终结者”、锂电池“圣杯”的名号,让我们拭目以待。

参考资料:

[1]https://www.forbes.com/sites/lauriewinkless/2023/11/14/could-solid-state-batteries-supercharge-electric-vehicles/?sh=1bee78a4592c

[2]https://media.toyota.co.uk/toyota-unveils-new-technology-that-will-change-the-future-of-cars/

[3]https://media.toyota.co.uk/toyota-sets-out-advanced-battery-technology-roadmap/

[4]https://www.reuters.com/business/autos-transportation/how-could-solid-state-batteries-improve-next-gen-evs-2023-06-13/

[5]https://www.newscientist.com/article/2398896-what-are-solid-state-batteries-and-why-do-we-need-them/

[6]https://www.ft.com/content/87cb8e92-8e82-4755-8fc3-2943f8f63e1d

[7]https://www.ft.com/content/457269a7-9500-43ed-bfb7-f729d19de5ee

[8]https://www.ft.com/content/f4353d2b-f941-475b-bc1d-a64475503ea6

[9]https://www.ft.com/content/6224f235-568c-4e2f-8247-e7dacf0ef20c

[10]https://www.greencarcongress.com/2023/10/20231026-qs-1.html

[11]https://ir.solidpowerbattery.com/news-releases/news-release-details/solid-power-releases-third-quarter-2023-results-ships-first

[12]https://www.gac.com.cn/cn/news/detail?baseid=18699

[13]20230330-中国银河证券-固态电池深度报告:群雄逐鹿锂电终局技术,发力新材料加速产业化

[14]姚忠冉;孙强;顾骁勇;邹晔;李吉;何祺.锂离子电池氧化物固态电解质研究进展[J].新能源进展,2023,11(01):76-84.

[15]20230602-中邮证券-固态电池行业深度:产业化按下加速键,技术突破进行时

[16]20230604-东吴证券-固态电池行业深度:千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面

[17]20230718-中银国际-电力设备行业固态电池系列报告之一:技术趋势明确,产业化大幕开启

[18]https://wallstreetcn.com/articles/3687939

[19]https://wallstreetcn.com/articles/3697238

免责声明:

本文仅用于学术交流和传播,不构成投资建议